-
-
Elektrischer EraStauS-nehmer --
-
Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Messung von Kräften
mittels Meßwandlern, die mit Dehnungsmeßstreifen aufgebaut sind.
-
Elektrische KraftauSnehmer mit Dehnungsmeßstreifen bestehen aus einem
elastischen Körper, meist Verformungskörper genannt, und auf diesem aufgebrachten
Dehnungsmeßstrei9en. Die.zu messende Kraft wirkt auf den Verformungskörper ein,
der sich dabei verformt und zu Veränderungen der Widerstände der Dehnungsmeßstreifen
führt.
-
Diese Veränderungen werden mit elektrischen Mitteln ausgewertet. Außer
den Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen und der Technologie ihrer Fixierung gehen
Eonstruktion und Technologie der Verformungskörper maßgebend in die Eigenschaften
der Kraftaufnehmer ein. Ms sind verschiedene Grundtypen von Verformungskörpern bekannt,
die sich durch unterschiedliche MeßeigenschaSten, aber ganz besonders auch durch
unterschiedlichen Aufwand für die Herstellung auszeichnen.
-
Verformungskörper vom Stauchkörpertyp sind fertigungstechnisch am
günstigsten. Ein wesentlicher funktlonsmäßiger Nachteil ist, daß der Verformungskörper
in Kraftrichtung wesentlich länger ausgebildet werden muß als der eigentlichen aktiven
Zone - also dem mit Dehnungsmeßstreifen beklebten Teil - entspricht, wenn sich befriedigend
kleine Meßfehler ergeben sollen. Das folgt daraus, da3 die durch die äußeren Krafteinleitungsstücke
hervorgerufenen Störungen weit genug abgeklungen sein müssen, so daß sich in der
aktiven Zone ein definiertes Spannungs- und Verformungsfeld ausbilden kann.
-
Im gleichen Sinne werden durch genügend lange Stauchkörper auch Effekte
abgebaut, die dadurch entstehen, daß die äußeren Krafteinleitungsstücke grundsätzlich
auch Reibungskräfte (zum Beispiel senkrecht zur wirkenden äußeren Kraft) auf den
Verformungskörper übertragen, die sich durch Hysterese in den Übertragungskennlinien
widerspiegeln.
-
Außer großem Materialaufwand ergeben sich durch die erforderlichen
großen Verformungskörperlän gen zusätzlich Eigenschaftsverschlechterungen, wie geringe
Steifigkeit, damit größere Meßwege, sowie größerer Einfluß von Querkräften.
-
Die genannten Nachteile des Stauchkörpertyps werden von Verformungskörpern
mit Biege-, Torsions- oder Scherspannungskörpern größtenteils vermieden. Sie haben
aber sämtlich mindestens den Nachteil, daß sie sehr hohe Herstellungskosten verursachen.
Beim Scherspannungskörper ist zusätzlich das Aufkleben der Dehnungsraeßstreifen
sehr kompliziert.
-
Ziel der Erfindung ist es, durch geringe ModiSikationen des Verformungskörpers
vom Stauchkörpertyp einen solchen Verformungskörper anzugeben, der die genannten
meßtechnischen bzw. materialseitigen Nachteile der bekannten Stauchkörpertypen nicht
aufweist, gegenüber Biege-, Scherspannungs- und Torsionskörpern jedoch erheblich
geringeren Herstellungsaufwand erfordert. Insbesondere sollen die gegenüber dem
normalen Stauchkörper erforderlichen technologischen Schritte sich au9 einfache
Bearbeitung, zum Beispiel Bohren, beschränken.
-
Die Erfindung löst die Aufgabe, einen Verformungskörper vom Stauchkörpertyp
anzugeben, der mit nur geringem zusätzlichen Herstellungsaufwand gegenüber den bekannten
Stauchkörpertypen bei gleichen meßtechnischen Eigenschaften wesentlich geringere
Verformungskörperlänge und damit verringerten Materialverbrauch aufweist oder bei
unveränderter Länge wesentlich bessere Meßeigenschaften hat.
-
Das Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in den Verformungskörperabschnitten,
die zwischen dem aktiven, die
Dehnungsmeßstreifen tragenden Ueil
und den äußeren Krafteinleitungsflächen eine Zone ausgebildet wird, die Querdehnungen,
die vorzugsweise von Reibungskräften an den EinleituagsSlächen-herrühren, an der
Fortpflanzung zum aktiven Teil in besonders starkem Maße behindert. Diese spezielle
Zone soll besonders noch derart ausgebildet werden, daß sie die eigentlichen Nutzspannungen
im Körper, die in Richtung der äußeren Kraft wirken, besonders wirksam homogenisiert
oder aber gezielt und definiert konzentriert.
-
Die spezielle Zone besteht aus einem symmetrisch zur Achse des VerSormungskörpers
angeordneten regulären (zum Beispiel zylindrischen, kegelförmigen oder winkel-symmetrischen)
Hohlraum innerhalb der Verbindungsstücke zwischen äußeren Krafteinleitungsflächen
und dem aktiven Teil des Verformungskörpers. Sie kann auf beiden Seiten des aktiven
Teiles oder nur auf einer Seite angeordnet werden.
-
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der reguläre
Hohlraum in der speziellen Zone dadurch entsteht, daß er als Durchdringung mehrerer
quer zur Achse des Verformungskörpers gelegener und diesen durchsetzenden Ausnehmungen
entsteht. Im technologisch günstigsten Falle werden diese Ausnehmungen durch Bohrungen
gebildet.
-
Die Ereindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
-
In der zugehörigen Zeichnung zeigt: Figur 1: Die Grundform des elektrischen
Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen und zwei speziellen Zonen, die aus je einem
symmetrisch angeordneten, regulären Hohlraum bestehen.
-
Figur 2: Die Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers mit Dehnungsmeßstreifen
und zwei speziellen
Zonen, die aus Durchdringungen von zwei Bohrungen
entstehen.
-
Figur 3: Eine Anordnung gemäß Figur 2 mit nur einer speziellen Zone
aus der Durchdringung zweier Bohrungen, deren Winkellage zueinander dem Querschnitt
des aktiven Teiles angepaßt ist.
-
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers
mit Dehnungsmeßstreifen und zwei speziellen Zonen Z beiderseitig zwischen aktivem
Teil und den Krafteinleitungsflächen. Der aktive Teil ist der Teil des Verformungskörpers
V, der mit den Dehnungsmeßstreifen DE bestückt ist. Zwischen diesem Teil und den
Krafteinleitungsflächen, auf die die Meßkraft F wirkt, ist die spezielle Zone Z
angeordnet, die einen symmetrisch zur Achse angeordneten regulären Hohlraum S enthält.
Dieser Hohlraum erzwingt auf einem relativ kurzen Verformungskörperabschnitt den
Ubergang von einer punkt-Sörmig oder auch undefiniert an greifenden äußeren Kraft
auf ein ringförmig inneres NormalspannungsproSi1 und damit eine bessere Homogenisierung
im Bereich des aktiven Teiles. Gleichzeitig ist der Bereich der speziellen Zone
Z relativ weich hinsichtlich Querdeformationen. Das hat die Wirkung, daß Reibeffekte
an den KraSteinleitungsflächen mit hystereseartigen Querdehnungszuständen sehr schnell
zur aktiven Zone hin abklingen.
-
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Grundform des elektrischen Kraftaufnehmers
mit Dehnungsmeßstreifen und beiderseitig zwischen aktivem Teil und den f(rafteinleitungsflächen
angeordneten speziellen Zonen Z, die aus Durchdrnngungen mehrerer gleichartiger,
quer zur Achse des Verformungskörpers V gelegener und vollständig diesen durchsetzenden
Ausnehmungen entstehen.
-
In der Figur 2 bestehen diese Ausnehmungen aus Bohrungen, die paarweise
in gleiches Ebene angeordnet sind und sich unter einem rechten Winkel kreuzen. Durch
diese Anord-
nung wird die Quersteifigkeit in der speziellen Zone
Z besonders stark erniedrigt, was zu einem guten Abklingen der Reibeffekte führt.
Außerdem tritt eine Bündelung des Normalspannungsfeldes au9 die Oberflächenbezirke
zwischen den Bohrungen au9. Diese Eigenschaft kann zu besonderen Dimensionierungen
des Kraftaufnehmers zusätzlich herangezogen werden.
-
Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung mit
nur einer speziellen Zone Z und einem aktiven Teil mit rechteckigem Querschnitt.
Die spezielle Zone Z entsteht durch die Durchdringung zweier Bohrungen gleichen
Durchmessers, deren Winkellage zueinander dem Rechteckquerschnitt angepaßt ist.
-
Leerseite